Введение к работе
«
Актуальность темы. Контакты металл-полупроводник с барьером Иоттки в настоящее время широко используются в полупроводниковых фиборах и интегральных схемах для детектирования электрических солебаний, регистрации оптического излучения и ядерных частиц, доя выделения и преобразования высокочастотных колебаний, созда-іия элементов оптических волноводов, модуляторов оптического изучения и т.д. Важную роль играют контакты металл-полупроводник в ісслєдованиях физических свойств и самих контактирующих материа-юв. Различные области применения контактов металл-полупроводник іазируются на ряде общих физических явлений, протекающих в таких контактах, однако,в литературе в настоящее время мало обобщающих >абот, посвященных полупроводниковым приборам с барьером Шоттки.
Развитие полупроводниковой электроники и расширение областей se применения сопровождается интенсивными экспериментальными исс-іедованиями и таких полупроводников как интерметаллические соеди-іения элементов III и V группы периодической системы Д. И. Менделе-!ва, которые сочетают в себе весьма разнообразные электрические и ютоэлектрические свойства и представляют исключительный интерес : точки зрения использования их для создания целого ряда приборов азличного технического назначения. Весьма перспективными в этом аправлении являются такие материалы,как арсенид индия и фосфид ндия.
Достаточно узкая ширина запрещенной зоны, малая эффективная асса и высокая подвижность носителей заряда и ряд других свойств елают арсенид индия превосходным материалом для создания на его снове различных приборов. Так известны датчики Холла на основе nAs, туннельные диоды, источники спонтанного и стимулированного-злучения и т.д. Близость ширины запрещенной зоны Eg и энергии пин-орбитального расщепления Д ("резонанс" зон) обуславливают озможность применения арсенида индия для создания на его основе ысокоэффективных малошумящих фотоприемников, лавинных фотодио-ов, фотодиодов с барьером Шоттки.
Другим перспективным соединением элементов III и V групп, ериодической системы Д.И.Менделеева является фосфид индия, прак-ическому использованию которого в последние годы уделяется много нимания. Фосфид индия и диодные структуры на его основе исследу-
ются в свяри с возможностью создания фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии в электрическую, лавинных фОТОДИОДОЕ для спектрального диапазона 1.1-1.5 мкм, работающих при более высокой температуре, чем Ge и Si. Для этих же целей создаются v изучаются диодные структуры на основе тройных и четверных систек с использованием полуизолирующих кристаллов этого материала в качестве подложки.
Эти и другие замечательные свойства арсенида индия и фосфидг индия обуславливают перспективность их широкого применения. Не для ведения целенаправленней работы по созданию различного типг приборов на основе InAs и InP, необходимо знать электрофизические, фотоэлектрические свойства, природу рекомбинационных процессов в этих материалах.
Вопросам изучения свойств фосфида индия посвящено большое количество работ, однако, к примеру, сведения о его валентной зоне ограничены. Много работ посвящено также изучению барьерої Шоттки на основе InP, однако недостаточно освещены вопросы, каса-юіциеся электрофизических и фотоэлектрических СВОЙСТВ ДИОДНЫ} структур с промежуточным слоем.
Важную проблему представляет также изучение механизма то-копрохоадения в диодных структурах на основе InAs и InP. Этг проблема имеет не только научный, но и практический интерес прі разработке различного вида фотоприемников. Между тем, для диодны; структур на основе InAs и InP эти вопросы изучены относительнс слабо.
Практически нет сведений о влиянии магнитного поля на фотоэффект диодов Шоттки, хотя фотоэлектромагнитные приемники на основе материалов InAs и InP находят практическое применение.
Все вышесказанное свидетельствует об актуальности темы настоящего исследования.
Работа была выполнена в лаборатории электронных полупроводников ФТИ им. А.И.Иоффе РАН и на кафедре физики Казанского высшей артиллерийского командно-инженерного училища им.М.Н.Чистякова і является составной частью научно-исследовательских работ, прозоді мых в вышеупомянутых организациях.
Цель работы.
Целью данной работы было проведение исследований электрофи-
іческих и фотоэлектрических свойств диодных структур металл-по-'проводник на основе кристаллов InAs и ІпР в широком температурім интервале с различными концентрациями носителей тока, а также учение влияния магнитного поля на характеристики полученных ди-1ных структур.
Для достижения поставленной цели необходимо было:
-разработать элементы методики исследования стационарной фо-ічувстзительности,кинетики фотоответа и фотомагнитного эффекта юдных структур в широком температурном диапазоне (70+300 К);
-разработать элементы технологии изготовления диодных струк-р металл-полупроводник на основе кристаллов InAs и ІпР;
-провести комплекс измерений электрических характеристик ди-(ных структур и их температурной и концентрационной зависимостей и определения механизма токопереноса;
-выполнить измерения фотоэлектрических характеристик диодных руктур в том числе и их зависимости от некоторых внешних факто-IB, включающих температуру, газовую среду, влажность;
-выполнить измерения фотомагнитных характеристик диодных руктур в интервале магнитных полей 0+2 Т.
Научная новизна.
-
В результате анализа ВАХ и ВФХ определены механизмы то-іпрохождения диодных структур Au-p-InAs с концентрациями носите-!й в кристаллах 5-Ю15-1-Ю17 см"3.
-
Установлено, что сложный характер зависимости фотоответа юдов Шоттки на основе InAs от магнитного поля как спектральной іивой, так и полевой объясняется вкладом токовых компонент базы инверсного п-слоя.
-
Созданы диоды Шоттки Au-n-InP с промежуточным слоем с су-ютвенно сниженной величиной тока насыщения и с увеличенной на 15-0.25 эВ высотой барьера.
-
Установлено, что в механизм токопрохождения диодов Шотт-! Au-p-InP с компенсированным субстратом основной вклад вносит мерационно-рекомбинационный ток, а процессы генерации и реком-кации в слое истощения, идущие с участием глубоких уровней, из-няют вид спектральной кривой.
5. Созданы и исследованы продольные фотоэлементы на основе
Au-n-InP с линейными инверсионными характеристиками.
-
Обнаружено высокое усиление фототока (ЧО3) в диодных структурах Au-n-InP
и показано, что это усиление и сдвиг спектральной характеристики в электрическом поле обязаны образованию статического домена высокого поля и модуляции его лроводи-мости излучением. -
Установлено резкое уменьшение фотоэдс диодных структур Pd-n-InP в атмосфере водорода по сравнению с изменением токов ВАХ (почти на порядок величины), а также сильное увеличение фотоэдс с увеличением влажности.
Практическая ценность.
-
Полученные результаты исследований механизма токопрохож-дения, фотоэлектрических и фотомагнитных характеристик диодов Шотт ки на основе p-InAs имеют практическое значение при разработке и создании эффективных фотоприемников ИК диапазона.
-
Разработаны и изготовлены элементы и узлы измерительной установки, которые могут быть использованы при исследовании и изготовлении новых полупроводниковых фотоэлектрических приборов.
-
Результаты исследования диодных структур на основе InP представляют практический интерес для создания продольных фотоэлементов, фотодетекторов с усилением фототока и фотогазоанализаторов для обнаружения водорода и водяных паров. , ..., -
Защищаемые положения.
-
Механизмы токопрохождения диодных структур на основе p-InAs определяются,концентрацией носителей заряда, причем в диодах с концентрацией дырок р=11017 см"3 преобладающий вклад вносит генерационно-рекомбинационный ток .области истощения (пространственного заряда); в диодах с концентрацией дырок р=2-1016 см"3 в области низких температур преобладает генерационно-реком-бинационный ток, а'в области высоких- диффузионный ток, причем существенна роль инверсного n-слоя; в диодах с концентрацией дырок р=5-1015.см"3 основной вклад вносит туннельный ток через промежуточные состояния (глубокие центры).
-
Величина фотоответа диодных структур на основе p-InAs в интервале длин волн 0. 5-4.5 мкм определяется последовательно тремя процессами: фотоэмиссией носителей через барьер Шоттки, меж-
зонным возбуждением электронно-дырочных пар, разделяемых барьером Шоттки, и ударной ионизацией. Резкий рост фотответа структур в коротковолновой области определяется ударной ионизацией дырками, высокая эффективность которой связана с "резонансом" зон, т. е. когда ширина запрещенной зоны Eg полупроводника близка к величине спин-орбитального расщепления Д (условие, когда EgKU).
-
В структурах с концентрацией носителей р=5-1015 см"3 величина фотоответа пропорциональна интенсивности падающего излучения и определяется двумя компонентами тока: слоя истощения и под-контактного инверсного слоя, в структурах же с концентрацией носителей р> 5і О15 см"3- зависимость сублинейна, т.е. пропорциональна ~11/2 и определяется только компонентой тока инверсного п-слоя свободной поверхности p-InAs.
-
Промежуточный слой в структурах Au-n-InP позволяет существенно снизить величину тока насыщения и увеличить на ОЛ5-0.25 эВ высоту барьера. Генерационно-рекомбинационный ток вносит основной вклад в механизм токопрохождения структур Au-n-InP с компенсированным субстратом, а эффективные процессы генерации и рекомбинации в слое истощения, идущие с участием глубоких центров, существенно изменяют вид спектральной характеристики.
-
Высокое усиление фототока (~103) в структурах Au-n-InP
обязано образованию статического домена высокого поля и модуляции его проводимости излучением.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах лаборатории электронных полупроводников физико-технического института им.А.Ф.Иоффе РАН, кафедры физики твердого тела Казанского государственного университета, кафедры физики Казанского ВАКИУ, а также научно-технических конференциях Казанского высшего артиллерийского командно-инженерного училища им. маршала артиллерии Н.Н.Чистякова (г.Казань, 1985, 1987, 1989-1996 г).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ.
Структура и объем работы
